CN216788303U - 一种具有旋压齿的pdc钻头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种具有旋压齿的PDC钻头，属于钻探装备领域。钻头包括钻头体、刀翼、切削齿、旋压齿、弹性材料、滚珠、固定螺钉，水眼或喷嘴，所述刀翼前端安装有若干切削齿，后端设有安装孔，安装孔内壁有截面为半圆形的回转凹槽，所述旋压齿下端有截面为半椭圆形的回转凹槽，滚珠卡在两凹槽之间，进而使旋压齿与刀翼连接，所述旋压齿底部还设置有弹性材料。本实用新型使得钻头的扭矩降低、稳定性提高，旋压齿具有周向自由度与轴向自由度，能够有效的提高旋压齿的寿命，旋压齿安装结构更为简单紧凑，更符合实际生产要求。在定向钻井中，本实用新型能够改善由于周向载荷不均造成的钻头工作面的偏移，提高定向钻井的质量。

Description

一种具有旋压齿的PDC钻头

技术领域

本发明(实用新型)属于石油钻井工程技术装备领域，涉及一种钻进钻头。

背景技术

钻头是钻井工程中破碎岩石、形成井筒的工具，以PDC钻头和牙轮钻头最为常用。PDC钻头依靠高硬度、高耐磨度、具有自锐能力的聚金刚石复合片来剪切岩石，PDC钻头凭借在软到中硬地层中的机械钻速高、寿命命长、钻进成本低等优点，在油气勘探、地热钻井等工程中得到了广泛的应用。PDC钻头通常具有若干个刀翼，刀翼上沿着钻头的径向设置有多个聚晶金刚石复合片，在钻杆施加的扭矩的作用下，复合片通过过刮切作用破碎岩石。目前国产钻头已能满足常规井作业的基本需求，但在极硬、强研磨、非均质等难钻地层仍难满足要求。

定向井是按照事先设计的具有井斜和方位变化的轨道钻进的井，与其他钻井技术相比，定向钻井技术具有效率高、灵活性好，操作便捷等特点，在油气资源的勘探与开发中得到了广泛的应用。定向钻井作业时，准确控制井的轨迹、避免井斜直接影响定向井的质量。在直井段，因为岩屑颗粒存在不断的碰撞，使得在此情况下井径有所增大，加之破岩过程中多是非均匀岩块，使得各刀翼受力不均，便会造成井斜。在非直井段，钻头轴线处于一斜面，在钻进过程中，处于下侧刀翼受力总大于上侧，在扭矩作用下将导致轨迹的偏移。

为避免刀翼受力不均造成的轨迹偏移，专利号

CN201820247275.9和CN201820139187.4两个专利均提出在钻头上设置旋压齿(即相应专利中的缓冲模块和法向轮单元)的方案，旋压齿使得刀翼后侧与岩石的接触由滑动摩擦转化为滚动摩擦，有效地减小了钻头工作时的扭矩并改善受力不均的情况。上述两专利的实施方案中，提出了旋压齿分别能够旋转和轴向移动的方案，但同时具备双自由度的方案结构过于复杂，实装较难，本发明将提出一种具有兼具两个自由度的旋压齿安装结构的钻头。

发明内容

本发明的目的在于：提出一种具备双自由度旋压齿的钻头，使得旋压齿寿命提长，同时能够显著降低钻头在复杂工况下的工作扭矩，改善钻头在复杂工况下造成的个刀翼受力不均问题，提高钻头的工作稳定性和使用寿命。特别地，该旋压齿安装简易，易于生产，钻头的生产成本低。

本发明所采用的技术方案如下：

一种具有旋压齿的pdc钻头，包括钻头体、刀翼、切削齿、旋压齿、弹性材料、滚珠、固定螺钉，密封圈，钻头体上设有水眼或喷嘴。钻头体上延伸出若干个刀翼，每个刀翼前端设置有若干个切削齿，后端设置至少一个旋压齿。

切削齿是用以挤压、剪切、破碎岩石的单元，切削齿由硬质合金主体和覆盖在其工作面的耐磨材料组成，耐磨材料一般为聚金刚石复合片、热稳定性金刚石复合片等，也可以是人造金刚石、天然金刚石、孕镶金刚石、硬质合金、立方氮化硼、陶瓷等。切削齿通过焊接、烧结固定于刀翼前端，并沿着刀翼边线呈抛物线分布。在钻进过程中，钻头受到钻杆施加扭矩，带动切削齿挤压破碎岩石。

上述方案中，岩石被破碎后相对刀翼沿两个方向移动，分别是刀翼上平行钻头轴线的面与刀翼上垂直于钻头轴线的面，所述的刀翼的前端与后端是相对后者来说的。

旋压齿为一可绕其轴线旋转的零件，其下端为回转结构，上端为穹顶结构，穹顶上设置有若干的齿。旋压齿材料可采用钢材、硬质合金、金属复合材料等，而穹顶上设置的齿应采用耐磨耐冲击材料，可以为硬质合金、孕镶金刚石、陶瓷等。突出的齿将使得岩块流过刀翼表面时得到缓冲。在复杂的地层中，特别是在软硬交替的地层中，遇到较硬地层时，钻头以原有的扭矩将无法剪切岩石，当钻柱扭矩增加才足以破碎岩石，在这个过程中，钻头经历了一个由静止向运动的过渡，在扭矩增加的过程中能量也在不断的积累，岩石破碎石能量释放，钻头突然以几倍于正常速度的转速运转，使得切削齿受到很大的冲击载荷，将对切削齿的寿命产生较大的损耗，严重时还会导致钻头的崩坏、损坏等。而布置于切削齿后方的旋压齿将会“拉住”突然破碎的岩石，减小岩石对下一个的冲击，也改善了钻头在复杂地层钻进的稳定性。

除此之外，旋压齿的设置在定向钻井中还有较好的效果：

在定向钻井中，特别是钻头轴线并非竖直时，由于钻头自身的重力，位于下侧的刀翼将与岩块产生较大的摩擦，而上侧刀翼并不会，这将导致钻进方向的偏移，严重影响定向井的质量。而旋压齿的存在使得刀翼与岩块摩擦的表面有了凸起，使得滑动摩擦变为了滚动摩擦，钻头所受的单侧力减小，偏移现象得以改善。

上述方案中，旋压齿可以绕其轴线旋转和沿其轴线上下移动。在钻进过程中，旋压齿靠近钻头轴线侧线速度低而另一侧高，使得其可以自行旋转。自身的旋转使得其上布置的齿交替承载，有效减小旋压齿的磨损，提高其寿命。旋压齿下端的半椭圆截面凹槽和下侧设置的弹性材料，使得其可以沿其轴线上下移动。在钻井的过程中，钻头总会产生轴向的振动，旋压齿轴向的缓冲能力能有效的防止轴向冲击造成的钻头功能的丧失。

作为优选，以切削齿包络线为零线，旋压齿顶端上下移动的范围为-5～10mm。

进一步的，为保证旋压齿的良好转动，旋压齿与刀翼上安装孔的配合为间隙配合，为防止水、油、岩屑进入缝隙中，旋压齿与刀翼安装孔之间可设置密封圈，材料可以为耐油橡胶等。

本发明的有益效果：

1.在钻井过程中，降低由于地层不均匀造成的切削齿所受冲击。

2.在定向钻井中，将刀翼单侧所受滑动摩擦转变为滚动摩擦，改善因此造成的轨迹偏移问题。

3.旋压齿同时具备绕轴线旋转和沿轴线移动的自由度，减少各方面造成的磨损，能够有效延长旋压齿的寿命。

4.旋压齿的结构简单紧凑，加工简易，生产成本低。

附图说明

图1：钻头三维外观图

图2：钻头剖面图(摘要附图)

图3：旋压齿外观图

图4：旋压齿剖面图

图5：轴承结构示意图

具体实施方式

一种具有旋压齿的PDC钻头，包括钻头体(1)、刀翼(2)、切削齿(3)、旋压齿(4)、弹性材料(5)、滚珠(6)、固定螺钉(7)、密封圈(8)、水眼或喷嘴(9)。钻头体上延伸出若干个刀翼(2)，每个刀翼前端设置有若干个切削齿(3)，后端设置至少一个旋压齿(4)。旋压齿可同时绕其轴线旋转和沿其轴线上下移动。如图1、图2所示。

下面，将参阅附图对本实施方案进行说明：

如图2所示，刀翼(2)后端安装孔为阶梯孔，在孔的两个底面均设有弹性材料(5)，所述弹性材料可以为耐油橡胶、碟簧等，并通过焊接等方式与钻头体固连。在未受压力时，弹性材料将旋压齿顶起；当旋压齿受到冲击载荷时，配合凹槽结构，旋压齿便可向下移动将力传递给弹性材料，从而将大部分的力吸收。旋压齿(4)装配时，滚珠(6)从固定螺钉(7)的安装孔放入，通过旋转旋压齿将滚珠移动，再填入下一颗滚珠，进而将旋压齿的凹槽(12)填满。

如图3、图4所示，旋压齿(4)外形呈伞状，其“伞部”布置有若干个齿(10)，齿与本体连接方式可采用烧结、焊接、机械连接等方式，也可采用一体式。若采用一体式则需在齿的表面覆盖一层耐磨材料。所述耐磨材料及齿的材料可采用人造金刚石、天然金刚石、孕镶金刚石、硬质合金、立方氮化硼、陶瓷等。旋压齿的“柄部”加工有两个环形凹槽，分别为圆槽(11)和椭圆槽(12)，圆槽用于固定密封圈(8)，椭圆槽用于安装滚珠(6)。

如图5所示，旋压齿(4)装入钻头后形成一变形轴承结构，使得旋压齿能够有效地固定在钻头本体(1)中，并能够实现周向转动和一定范围的轴向移动。

Claims (5)

1.一种具有旋压齿的PDC钻头，包括钻头体、刀翼、切削齿、旋压齿、弹性材料、滚珠、固定螺钉、水眼或喷嘴，其特征在于：所述各刀翼前端有若干切削齿，后端设置有至少一个旋压齿；所述旋压齿通过滚珠与刀翼连接；所述旋压齿下端面安装有弹性材料。

2.根据权利要求1所述一种具有旋压齿的PDC钻头，其特征在于：所述刀翼前端安装有若干切削齿，后端设有安装孔，安装孔内壁有截面为半圆形的回转凹槽，凹槽沿钻头径向向外延伸一塞珠孔，所述塞珠孔为螺纹孔，其小径大于滚珠，与固定螺钉螺纹连接。

3.根据权利要求1所述一种具有旋压齿的PDC钻头，其特征在于：所述旋压齿后端有截面为半椭圆形的回转凹槽。

4.根据权利要求1所述一种具有旋压齿的PDC钻头，其特征在于：所述弹性材料为碟簧、或橡胶、或高弹性金属、或由前述至少两种的组合。

5.根据权利要求1所述一种具有旋压齿的PDC钻头，其特征在于：所述滚珠布满于安装孔内凹槽与旋压齿外凹槽之间，使得旋压齿与刀翼连接并能够实现周向旋转与一定范围的轴向位移。

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